低成本Fresnel透镜集成投影仪（FLIP）系统实现可见光介导的微尺度光图案化

《Advanced Materials Technologies》：FLIP: Transforming Consumer Projectors into Maskless Microscale Photopatterning Tools via Fresnel Lens Integration

本文介绍了一种创新的低成本光图案化平台FLIP，该系统通过将商用投影仪与菲涅尔透镜（Fresnel lens）结合，实现了在固体（如卤化银薄膜）和液体/凝胶（如甲基丙烯酰化明胶GelMA）表面的微米级空间图案化。该系统在450-617 nm可见光范围内工作，分辨率达30 μm，成本仅100-200美元，为资源有限的实验室提供了传统掩模光刻和高成本数字微镜器件（DMD）系统的可行替代方案，在组织工程、生物传感器和细胞培养等领域具有广泛应用潜力。

　　

低成本Fresnel透镜集成投影仪（FLIP）系统实现可见光介导的微尺度光图案化

1. 引言

微尺度表面图案化技术在化学生物传感、组织工程和细胞研究等领域至关重要。传统方法如光刻成本高且灵活性差，而高端数字光处理（DLP）或激光直写系统价格昂贵。本研究提出一种低成本、紧凑的无掩模光图案化平台FLIP，通过将商用投影仪与菲涅尔透镜结合，在可见光范围（450-617 nm）实现微米级空间和光谱光调制，为资源有限实验室提供了可行替代方案。

2. 结果与讨论

2.1 定制微尺度光图案化系统：设计、集成及光学评估

FLIP系统核心是将商用投影仪（DMD或LCD类型）与菲涅尔透镜集成。菲涅尔透镜以其轻薄、低成本特性，将投影图像缩小以实现微尺度图案化。系统通过3D打印框架固定，投影仪可沿Z轴移动以调节投影距离和聚焦。光学表征显示，集成菲涅尔透镜后，系统在焦平面的光功率密度显著增加，但DMD和LCD投影仪在对比度（ANSI对比度）上表现不同：DMD系统对比度降低，而LCD系统对比度提升。最终选择FLIP-DMD系统进行后续研究，因其在长波长下具有更高对比度和可比的光功率密度。

2.2 FLIP-DMD系统的微尺度空间分辨率分析

通过投影条纹图案并分析调制传递函数（MTF），评估系统在微尺度的对比度传递能力。MTF值随空间频率增加而降低，表明系统对更精细图案的对比度传递能力减弱。在450 nm和617 nm波长下，系统在较高空间频率下表现更优。单像素宽条纹的宽度测量显示波长依赖性，蓝光（450 nm）下最小特征尺寸为57 ± 1 μm，绿光（565 nm）下为85 ± 3 μm，证实系统可实现高保真微尺度图案化。

2.3 固体基底上的光图案化性能

以卤化银照相薄膜为模型固体基底，演示FLIP-DMD系统的图案化能力。蓝光（450 nm）照射后，卤化银光还原生成金属银图案。单像素图案在薄膜上实现30 ± 2 μm的最小特征尺寸。同心圆等复杂图案的制备表明，系统在径向和角向上图案尺寸一致，无显著失真，但化学显影过程引入的梯度可能导致微尺度变异。

2.4 液体/凝胶薄膜中的光图案化

以光交联甲基丙烯酰化明胶（GelMA）水凝胶为模型体系，展示系统在液体/凝胶材料上的图案化能力。绿光（565 nm）引发基于伊红Y（Eosin Y）的自由基聚合，实现GelMA的局部交联。最小可实现特征为3像素宽条纹，对应135 ± 10 μm。交替的5像素和10像素宽条纹图案显示良好重复性，特征尺寸缩放比例接近2:1。成功制备Y形和螺旋形水凝胶微结构，证明系统在标准培养器皿（如6孔板）上制造复杂几何图案的能力，可用于细胞定向生长、共培养系统等生物应用。

3. 结论

FLIP平台将低成本商用投影仪与菲涅尔透镜结合，实现了可见光介导的微尺度光图案化，在固体和液体/凝胶基底上分别达到约30 μm和135 μm的分辨率。系统具有成本低、便携、图案保真度高等优点，虽存在波长像差、边缘渐晕等限制，但通过光学和机械优化可进一步提升性能。该技术 democratizes 微尺度图案化方法，为组织工程、生物传感和材料科学等领域提供了可访问工具。

4. 实验部分

详细描述了材料（GelMA、光引发剂等）、FLIP系统构建（DMD/LCD投影仪集成菲涅尔透镜）、卤化银薄膜图案化（曝光、显影）以及GelMA水凝胶图案化（基底处理、交联、洗涤）的实验方法。系统光学性能通过功率计和光谱仪表征，图案通过显微镜成像分析。